2. Przesłanki teoretyczne podj cia tematyki badawczej

Transkrypt

1 2.1 Współczesne znaczenie powłok przeciwzu yciowych Technika cienkich przeciwzu yciowych powłok nanoszonych ró nymi metodami na materiały narz dziowe budzi od wielu lat du e zainteresowanie producentów. Post p w tej dziedzinie dokonuje si równolegle z rozwojem w kilku obszarach in ynierii materiałowej, skupiaj c si na poszukiwaniu i wprowadzaniu nowych materiałów, a tak e na optymalizacji ich składu chemicznego i fazowego oraz technologii ich wytwarzania [14, 15]. Obecnie głównymi sposobami poprawy własno ci u ytkowych materiałów narz dziowych s metody fizycznego i chemicznego osadzania powłok. Powłoki otrzymywane w procesach PVD i CVD w wielu zastosowaniach ugruntowały ju swoj pozycj, pozwalaj c na wyra n popraw własno ci u ytkowych elementów wykonanych z materiałów narz dziowych. Główne korzy ci wynikaj ce z ich nanoszenia na narz dzia to: dłu sza trwało ć wytworzonych elementów, zmniejszenie kosztów produkcji w zwi zku ze wzrostem trwało ci narz dzi, ograniczenie przestojów mi dzyoperacyjnych spowodowanych konieczno ci wymiany narz dzi, wzrost wydajno ci obróbki zwi zany ze zwi kszeniem pr dko ci skrawania i stosowanych posuwów, lepsza jako ć powierzchni obrabianych materiałów, ograniczenie procesów utleniania i korozyjnych. Stosowanie tych metod nie powoduje zanieczyszczenia rodowiska, daje si łatwo automatyzować i stosować w produkcji seryjnej. O znaczeniu tych technologii w ród metod poprawy własno ci powierzchni wiadczyć mo e fakt, e w ofercie handlowej licz cych si producentów znajduje si szeroki asortyment narz dzi pokrywanych twardymi powłokami [16, 17]. Metody CVD nanoszenia powłok polegaj na tworzeniu warstw w glików i azotków metali ze składników atmosfery gazowej, na powierzchni obrabianego elementu. W procesie 10 W. Kwa ny

2 tworzenia warstwy bior udział składniki podło a. Proces prowadzony jest w atmosferach gazowych, zawieraj cych zwykle pary zwi zków chemicznych metalu, stanowi cego podstawowy składnik wytworzonej warstwy w C. Wysoka temperatura konieczna do przebiegu reakcji chemicznych znacznie zmniejsza zakres stosowania metod CVD, szczególnie w przypadku elementów nara onych na obci enia dynamiczne podczas eksploatacji lub narz dzi wykonanych ze stali szybkotn cych. Ogranicza to zakres stosowania technik CVD głównie do nanoszenia warstw na płytki ze spiekanych materiałów ceramicznych, dla których wysoka temperatura procesu nie powoduje utraty ich własno ci. W ostatnich latach opracowano kilka odmian procesów CVD, zwanych ogólnie metodami chemicznego osadzania z fazy gazowej w obecno ci wyładowania jarzeniowego PACVD, umo liwiaj cych wykorzystanie pozytywnych cech wysokotemperaturowych procesów CVD (du a wydajno ć i jako ć uzyskiwanych powłok) w poł czeniu z nisk temperatur pokrywania oraz korzystnym oddziaływaniem plazmy, daj cym mo liwo ć oczyszczenia podło a [2, 15, 16, 18, 19]. Metody PVD wykorzystuj zjawiska fizyczne, takie jak odparowanie metali albo stopów lub rozpylanie katodowe w pró ni i jonizacj gazów i par metali. Wspóln ich cech jest krystalizacja par metali lub faz z plazmy. Nanoszenie powłok przeprowadzane jest na podło u zimnym lub podgrzanym do C, co umo liwia pokrywanie podło y zahartowanych i odpuszczonych bez obawy o spadek ich twardo ci. W technikach PVD zmiana parametrów procesu ma du y wpływ na struktur wytworzonych powłok. Podstawowymi parametrami procesu wpływaj cymi na struktur i topografi powłok PVD s : temperatura podło a, ci nienie gazów roboczych, energia osadzanych jonów, które razem z cechami i własno ciami podło a determinuj ich własno ci mechaniczne [2, 20-23]. Ewolucja metod PVD zmierza w kierunku pozwalaj cym na nanoszenie zarówno powłok wielofazowych, wielowarstwowych, jak i gradientowych, charakteryzuj cych si dobr przyczepno ci do materiału podło a [16, 17]. Wobec mnogo ci odmian technik nanoszenia warstw istnieje konieczno ć wiadomego wyboru zarówno rodzaju powłoki, jak i metody jej nanoszenia, poniewa te same powłoki nanoszone ró nymi metodami ró ni si pod wzgl dem własno ci u ytkowych. Na rysunku 2 przedstawiono porównanie technik nanoszenia powłok w zale no ci od temperatury procesu i ci nienia roboczego. 11

3 Rysunek 2. Porównanie technik nanoszenia powłok [29] Du a liczba mo liwych technik pozwala na dobranie najbardziej odpowiedniej dla konkretnego zastosowania, ze wzgl du na po dane własno ci powłoki i pokrywanego podło a. Wymagania stawiane powłokom przeciwzu yciowym sprawiaj, e materiały stosowane do ich uzyskania powinny charakteryzować si przede wszystkim wysok twardo ci w podwy szonej temperaturze, wysok odporno ci na utlenianie oraz dobr stabilno ci chemiczn. Ze wzgl du na tak postawione wymagania jako składniki powłok przeciwzu yciowch na narz dziach stosuje si głównie: azotek tytanu TiN, w glik tytanu TiC, w glikoazotek tytanu TiCN, azotek aluminium TiAlN oraz tlenek aluminium Al 2 O 3 [24-29]. Własno ci powłok jednowarstwowych, obecnie najcz ciej stosowanych, s w licznych przypadkach niewystarczaj ce. Du o wi ksze mo liwo ci kształtowania danych własno ci w ró nych obszarach powłoki stwarzaj pokrycia wielowarstwowe. Powłoki wielowarstwowe, tworzone w wyniku nało enia na siebie kolejno warstw odmiennych materiałów, dobierane s w ten sposób, aby zagwarantować stopniowe przej cie pomi dzy własno ciami poszczególnych warstw, maj cych do spełnienia odmienne zadania. W efekcie utworzona powłoka wielowarstwowa wykazuje jednocze nie wysok przyczepno ć do materiału podło a 12 W. Kwa ny

4 Rysunek 3. Schemat przykładowej powłoki wielowarstwowej naniesionej na ostrze skrawaj ce z funkcjami poszczególnych warstw [4] oraz wysok twardo ć i odporno ć na zu ycie. Na rysunku 3 przedstawiono schemat powłoki wielowarstwowej naniesionej na ostrze skrawaj ce z funkcjami poszczególnych warstw, zgodnie z [4]. Bezpo rednio nara ona na kontakt z obcym materiałem powierzchnia powłoki powinna charakteryzować si mał reaktywno ci chemiczn. Od rodkowej cz ci na przekroju powłoki wymagana jest du a twardo ć oraz dobra ci gliwo ć, zapewniaj ca mo liwo ć relaksacji napr e własnych. Strefa kontaktu powłoki z materiałem podło a powinna zapewniać przede wszystkim dobr przyczepno ć, któr mo na uzyskać przez minimalizacj napr e cieplnych oraz dzi ki zbli onemu charakterowi wi za mi dzy atomami w powłoce i podło u [2, 4, 16]. O efektywno ci stosowania powłok nanoszonych metodami PVD i CVD najlepiej wiadcz wyniki bada porównawczych wykonanych jednocze nie dla narz dzi pokrytych oraz niepokrytych [1, 2, 6, 16, 21, 25-27]. Rozwój procesów PVD i CVD spowodował wykorzystanie na skal przemysłow specyficznych własno ci powłok nie tylko do pokrywania materiałów narz dziowych lecz tak e w innych obszarach zastosowa : w optyce i mikroelektronice, biomedycynie, energetyce, przemy le samochodowym i budowlanym [18, 29-32]. Zgodnie z [32] planowane jest stopniowe zwi kszanie udziału narz dzi pokrytych metodami PVD i CVD w stosunku do narz dzi niepokrytych (rys. 4). Wci rosn ce zapotrzebowanie na pokrycia otrzymywane technikami PVD i CVD prowadzi do znacznego 13

5 Rysunek 4. Prognoza rozwoju technik PVD i CVD [32] wzrostu sprzeda y urz dze do nanoszenia powłok, co pozwala na wprowadzanie nowych rozwi za technologicznych i dynamiczny rozwój tej dziedziny in ynierii materiałowej. Wzrost zastosowa technologii PVD i CVD w produkcji handlowej spowodował potrzeb zastosowania systemu jako ci w procesach nanoszenia powłok. Aby sprostać temu wyzwaniu, nale y dokładnie poznać mechanizmy zu ycia powłok, a tak e towarzysz ce temu uszkodzenia, w zale no ci od rodowiska i obszaru zastosowa rozpatrywanego przypadku powłoki. Analizuj c własno ci powłok, szczególn uwag nale y zwrócić na zagadnienia zwi zane: z własno ciami mechanicznymi (przyczepno ć, twardo ć, napr enia wewn trzne), z własno ciami fizycznymi (g sto ć, przewodno ć cieplna, współczynnik tarcia), z odporno ci na zu ycie (własno ci trybologiczne), z struktur, składem chemicznym i fazowym oraz tekstur. Czynniki te wpływaj na szybko ć zu ycia oraz zwi kszenie trwało ci narz dzi i w konsekwencji decyduj o przeznaczeniu powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD [33-35]. Głównym celem prowadzonych bada nad mechanizmami zu ycia narz dzi skrawaj cych jest okre lenie wpływu warunków i parametrów zu ycia na trwało ć i niezawodno ć pracy narz dzi (rys. 5). Rozpoznanie i okre lenie wpływu mo liwie du ej liczby czynników determinuj cych trwało ć narz dzi pozwala na opracowanie coraz dokładniejszych modeli zu ycia powłok PVD i CVD. Rozwi zanie tego problemu umo liwia zwi kszenie wydajno ci i jako ci obróbki, przy jednoczesnym zmniejszeniu energochłonno ci i materiałochłonno ci [2, 5]. 14 W. Kwa ny

6 Rysunek 5. Przyczyny, postaci i objawy zu ycia narz dzi [21] W praktyce koniec technologicznego okresu trwało ci narz dzia nast puje zwykle wtedy, gdy przestaje ono zapewniać uzyskanie przedmiotu o po danych wymiarach i jako ci powierzchni. Liczne testy wykonywane w laboratoriach naukowych pozwalaj okre lać trwało ć powłok PVD i CVD, w ród których najcz ciej stosowane s testy skrawno ci oraz test erozyjny. Wiele prac [2, 3, 33-39] po wi conych jest wpływowi warunków procesów nanoszenia powłok, polaryzacji i temperatury podło y, ci nienia i przepływów gazów reaktywnych na ich własno ci wyra one przez adhezj, twardo ć, stan napr e wewn trznych, skład fazowy i orientacj krystalograficzn, a tak e rodzaj struktury. Stan wiedzy na temat zale no ci pomi dzy struktur, własno ciami fizycznymi a warunkami uzyskiwania powłok w procesach PVD i CVD jest jeszcze niezadowalaj cy i wymaga bada laboratoryjnych, wspomaganych technikami komputerowymi. Wykorzystanie technik komputerowych znacznie zwi ksza mo liwo ci analizy otrzymywanych wyników do wiadczalnych oraz ograniczenia konieczno ci przeprowadzania kosztownych i czasochłonnych prób technologicznych na rzecz prognozowania własno ci mechanicznych i u ytkowych powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych [40, 41]. 15

7 2.2 Analiza fraktalna jako narz dzie oceny topografii powierzchni Analiza fraktalna jest metod matematyczn stworzon w latach 60 ubiegłego wieku przez B.B. Mandelbrota do opisu abstrakcyjnych konstrukcji matematycznych, a nast pnie form wyst puj cych powszechnie w przyrodzie, posiadaj cych cech samopodobie stwa [42, 43]. W ród przykładów obiektów samopodobnych mo na wymienić tak ró norodne struktury, jak: rozkłady galaktyk w przestrzeni kosmicznej, wahania kursów walut na giełdzie oraz powierzchnie masywów górskich, co sprawia, e metody fraktalne stały si u ytecznym narz dziem w teoretycznych i eksperymentalnych badaniach wielu dziedzin nauki, m. in. astrofizycznych, geologicznych, biologicznych, medycznych, fizycznych, gospodarczych oraz informatycznych [44-48]. Topografia powierzchni wielu rzeczywistych materiałów in ynierskich, w tym powłok CVD i PVD, wykazuje cech samopodobie stwa [49-53], co pozwala zastosować do ich opisu metody analizy fraktalnej. Poniewa powierzchnie rzeczywistych materiałów nigdy nie s idealnie gładkie, wi c po zastosowaniu odpowiednio du ego powi kszenia ich fragmentów ujawniaj si nierówno ci w postaci wgł bie lub wypukło ci. Mo na zauwa yć, e dla pewnych materiałów stopie tych nieregularno ci jest stały bez wzgl du na skal. Oznacza to, e je li analizowana powierzchnia jest gładka i regularna, to jej fragmenty po powi kszeniu zachowuj t cech. W przypadku gdy powierzchnia jest nieregularna i chropowata, równie jej powi kszone fragmenty wygl daj tak samo. Dzieje si tak, gdy ujawniaj si dodatkowe szczegóły, które wcze niej nie były dostrzegalne. Geometria fraktalna jest narz dziem, które pozwala w sposób jako ciowy i ilo ciowy scharakteryzować stopie nieregularno ci powierzchni, w przypadku gdy wielko ć ta jest niezale na od skali. Podstawow wielko ci fraktaln, która charakteryzuje stopie wypełnienia przestrzeni przez powierzchni i opisuje jej kształt, jest powierzchniowy wymiar fraktalny D s. Wymiar fraktalny D s, b d cy liczb rzeczywist zawart w przedziale [2,3), jest miar nieregularno ci i stopnia zło ono ci kształtu powierzchni. Niska warto ć wymiaru fraktalnego jest charakterystyczna dla powierzchni gładkich, natomiast wysoka opisuje powierzchnie o zło onym i skomplikowanym kształcie. Metody geometrii fraktalnej umo liwiaj nie tylko wyznaczanie wymiaru fraktalnego analizowanych obiektów, ale równie modelowanie powierzchni o dowolnie wybranej, zadanej warto ci tego parametru [54]. W pracy [55] autor prezentowanego opracowania przedstawił trzy algorytmy, umo liwiaj ce uzyskiwanie danych modeluj cych powierzchnie o ułamkowych warto ciach wymiaru fraktalnego: dwie wersje algorytmu losowego przemieszczania rodka (midpoint displacement method) [56, 57] oraz algorytm Falconera [54]. Na rysunku 6 16 W. Kwa ny

8 przedstawiono przykłady wykresów powierzchni fraktalnych o ró nych warto ciach wymiaru fraktalnego (D s = 2,25 oraz D s = 2,75), wygenerowanych przy u yciu algorytmu losowego przemieszczania rodka. Porównuj c te dwa zbiory, których rozmiary (szeroko ć i długo ć) s jednakowe, mo na zauwa yć, e powierzchnia o ni szej warto ci wymiaru fraktalnego (rys. 6a) jest słabiej rozwini ta (mniejsze pole powierzchni) ni powierzchnia o jego wysokiej warto ci (rys. 6b). Porównanie obu wykresów powierzchni pozwala zinterpretować znaczenie parametru D s. Powierzchnie charakteryzuj ce si nisk warto ci D s wykazuj jednocze nie wzgl dnie mał amplitud oraz cz stotliwo ć nierówno ci, natomiast cz stotliwo ć i amplituda nierówno ci wyst puj cych na powierzchniach o wy szej warto ci D s s wi ksze. Powierzchnie o niskiej warto ci D s s jednorodne i gładkie, a kształty obiektów, których wymiar powierzchniowy jest wysoki, s bardziej nieregularne i zło one. Dla powierzchni euklidesowych ( klasycznych ) wymiar fraktalny D s przyjmuje warto ć całkowit, równ 2, zgodn z intuicyjn warto ci wymiaru. W przypadku obiektów o bardziej nieregularnych kształtach, składaj cych si z drobnych fragmentów, które staj si widoczne dopiero po zastosowaniu odpowiedniego powi kszenia, warto ć D s wzrasta. Zestawy danych modeluj cych powierzchnie o zadanych warto ciach wymiaru fraktalnego mog zostać równie wykorzystane do sprawdzenia poprawno ci metod wyznaczania wymiaru fraktalnego. Przeprowadzone analizy pozwalaj skojarzyć warto ć wymiaru fraktalnego z jedn z najcz ciej stosowanych w in ynierii materiałowej wielko ci do opisu topografii powierzchni analizowanych materiałów czyli z chropowato ci. Zazwyczaj powierzchnie o niskiej chropowato ci charakteryzowane s przez nisk warto ć wymiaru fraktalnego, natomiast a) b) Rysunek 6. Przykłady wykresów powierzchni fraktalnych o ró nych warto ciach wymiaru fraktalnego a) D s = 2,25 i b) D s= 2,75 (wygenerowanych przy u yciu algorytmu losowego przemieszczania rodka) [55] 17

9 wzrostowi chropowato ci towarzyszy wzrost jego warto ci. Je eli analizowany obiekt jest fraktalem, to zastosowanie wymiaru fraktalnego do charakterystyki topografii powłok ma zasadnicz przewag nad tradycyjnymi wielko ciami, okre laj cymi chropowato ć, poniewa, w przeciwie stwie do nich, nie zale y on od wyboru zakresu pomiarowego. Chropowato ć wyznaczana jest dla jednego zakresu pomiarowego i nie pozwala wnioskować na temat cech powierzchni próbki w innych zakresach pomiarowych. Powierzchnia o du ej chropowato ci, okre lonej przykładowo przez wysok warto ć R a, mo e zawierać du e ziarna, których cianki obserwowane przy du ym powi kszeniu okazuj si gładkie, i w tak wybranym mniejszym zakresie pomiarowym przyjmuj nisk warto ć R a. Powierzchnia o niskiej chropowato ci, okre lonej przez nisk warto ć R a, która powinna być gładka, po zastosowaniu wła ciwego powi kszenia mo e zawierać du liczb drobnych ziaren i w mniejszym zakresie pomiarowym przyjmować wysok warto ć parametru R a. Nale y podkre lić, e, w przeciwie stwie do abstrakcyjnych, idealnych konstrukcji matematycznych, cecha samopodobie stwa dla powierzchni rzeczywistych wyst puje tylko w sensie statystycznym i w okre lonym przedziale wielko ci. W szczególno ci nie nale y zakładać, e powierzchnie powłok uzyskiwane w procesach CVD i PVD we wszystkich zakresach pomiarowych wykazuj t cech. Z tego wzgl du wyznaczanie warto ci wymiaru fraktalnego powinno być poprzedzone okre leniem zakresu, w którym stopie nieregularno ci badanych powierzchni jest niezale ny od skali. Je eli powy szy warunek jest spełniony, geometria fraktalna staje si narz dziem, które umo liwia ilo ciow charakterystyk rzeczywistych powierzchni, w tym powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD. Praktycznie ju w momencie powstania teorii fraktali B.B. Mandelbrot wskazał [58], e do opisu wi kszo ci rzeczywistych obiektów (jako przykład wybrał rozkład złó miedzi) zastosowanie formalizmu fraktalnego jest niewystarczaj ce. Wynika to z faktu, e rzeczywiste obiekty nie s jednorodne i z tego powodu niemo liwe jest opisanie własno ci geometrycznych obiektów o nieregularnych kształtach za pomoc jednej liczby wymiaru fraktalnego. Powierzchnie badanych materiałów in ynierskich zazwyczaj nie s idealnymi obiektami samopodobnymi, poniewa cecha ta wyst puje jedynie lokalnie. Rozkład nieregularno ci zmienia si w zale no ci od wyboru fragmentu analizowanego obszaru próbki. W pewnych fragmentach powierzchnie mog charakteryzować si du nieregularno ci, podczas gdy w innych mog wykazywać bardziej regularny kształt. Mandelbrot zaproponował, by uogólnić poj cie zbioru fraktalnego i zast pić je miar multifraktaln. Miara multifraktalna umo liwia charakteryzowanie zło onych kształtów, w tym powierzchni, dla których wymiar wyznaczony w ró nych obszarach przyjmuje ró ne warto ci. Z tego powodu analiza multifraktalna jest 18 W. Kwa ny

10 uzupełnieniem metody fraktalnej, umo liwiaj c scharakteryzowanie geometrycznych własno ci rzeczywistych powierzchni w pełniejszy i bardziej precyzyjny sposób [59, 60]. We współczesnej nauce geometria fraktalna i multifraktalna znalazła zastosowanie mi dzy innymi do badania nieregularno ci powierzchni i opisu jej kształtu. Fraktalne i multifraktalne własno ci powierzchni były dotychczas wyznaczane dla wielu materiałów, w ród których nale y wymienić: materiały metalowe [61, 62] i ich stopy [63-66], materiały ceramiczne, polimerowe oraz amorficzne [67-72]. Koncepcja fraktali została wykorzystana do opisu morfologii powierzchni przełomów w przestrzeni 2D i 3D dla potrzeb stereologii [73]. W wyniku bada próbek amorficznych wykonanych ze stopów FeNiVSiB przedstawionych w [74] stwierdzono, e ich odporno ć na kruche p kanie jest proporcjonalna do warto ci wymiaru fraktalnego topografii przełomu. W pracy [75] przedstawiono wyniki bada nad półprzewodnikow warstw TiO 2, wykazuj c korelacj pomi dzy wymiarem fraktalnym opisuj cym i charakteryzuj cym badane powierzchnie a ich zdolno ciami absorpcji wiatła. Zastosowanie mikroskopii elektronowej umo liwia badania polimerowych materiałów kompozytowych wzmacnianych cz stkami mineralnymi. Analiza fraktalna przeprowadzona na podstawie uzyskanych rezultatów ułatwiła ilo ciowy opis rozproszenia cz stek mineralnych, dzi ki zastosowaniu wska nika numerycznego powi zanego z szeroko ci widma multifraktalnego [76]. Posługuj c si analiz multifraktaln, podj to prób opisu zjawiska Portevin - Le Chatelier (PLC) [77]. Z krzywej odkształcenia okre lono prawdopodobie stwo wyst pienia nietrwało ci plastycznej wewn trz badanej struktury, a miar stopnia niejednorodno ci powierzchni materiału, w którym doszło do odkształcenia plastycznego, był wymiar fraktalny. W pracy [78] przedstawiono wyniki bada powierzchni materiałów przetapianych laserowo. Wykazano, e materiały przetapiane wi zk lasera o wy szej energii charakteryzuj si wi ksz niejednorodno ci powierzchni, a na charakter opisuj cego j widma multifraktalnego wpływa energia strumienia lasera. Analiz multifraktaln powłok zło onych Si/TiN/Pd osadzonych na podło u ze stopu NiCuP metod powlekania bezpr dowego w zale no ci od czasu trwania tego procesu przedstawiono w pracy [79]. Otrzymane wyniki wskazuj na korelacj pomi dzy parametrami opisuj cymi widmo multifraktalne a zmianami niejednorodno ci powłoki w przypadku zwi kszenia czasu procesu jej osadzania. Geometria fraktalna i multifraktalna znajduje tak e szerokie zastosowanie w zakresie charakteryzowania i opisu morfologii powierzchni materiałów biomedycznych. Otrzymywanie implantów oraz pokryć powierzchni elementów wszczepianych do wn trza organizmu ludzkiego lub przeznaczonych do długotrwałego kontaktu z nim (np. rozruszniki i sztuczne zastawki serca, cewniki, dreny, nici chirurgiczne) jest obecnie bardzo intensywnie rozwijaj cym si kierunkiem 19

11 bada naukowych. Do najcz ciej stosowanych biomateriałów zalicza si polimery, materiały ceramiczne oraz niektóre metale i ich stopy. Do obrazowania ich powierzchni, w zale no ci od rozmiaru badanych obszarów, wykorzystuje si mikroskopi optyczn, konfokaln, oddziaływa mi dzyatomowych, skaningow lub transmisyjn, a do oceny otrzymywanych wyników stosowane s głównie metody automatycznej analizy obrazu, w tym równie analizy fraktalnej [80-82]. W przypadku materiałów biomedycznych, wykorzystywanych jako implanty, niezwykle istotn rol odgrywa topografia ich powierzchni. Wykorzystanie analizy fraktalnej umo liwia w tym obszarze wyznaczanie ilo ciowych parametrów opisuj cych amplitud nierówno ci wyst puj cych na powierzchni oraz stopie ich uporz dkowania. Komplementarne podej cie, uwzgl dniaj ce obok pomiarów chropowato ci równie wyznaczanie wymiaru fraktalnego, zostało praktycznie wykorzystane do optymalizacji procesu otrzymywania materiałów o po danych własno ciach powierzchni [83, 84]. W obszarze bada materiałów ceramicznych, wykorzystywanych w medycynie, wysiłki badaczy skupione s na opracowywaniu metod, umo liwiaj cych ilo ciow ocen porowato ci stosowanych materiałów. Wyniki prowadzonych bada [85] wskazuj, e wymiar fraktalny jest proporcjonalny do porowato ci materiałów ceramicznych oraz e istnieje korelacja pomi dzy jego warto ci oraz udziałem wody, która mo e być wchłoni ta przez materiał. Wykazano, e w przypadku materiałów ceramicznych, stosowanych w dentystyce, istnieje zale no ć pomi dzy twardo ci i wymiarem fraktalnym [86] oraz ponadto wykorzystano geometri fraktaln do monitorowania zmian morfologii powierzchni implantów dentystycznych, charakteryzuj c z jej wykorzystaniem zu ycie analizowanych biomateriałów [87]. Ponadto, geometria fraktalna i multifraktalna wykorzystywana jest powszechnie do analizy obrazów medycznych (ECG, EEG, USG, prze wietle, bada mammograficznych itp.) [88]. Geometria fraktalna jest tak e wykorzystywana komercyjnie np. przy produkcji filmowych efektów specjalnych, do kodowania i kompresji obrazów oraz przy tworzeniu skomplikowanych obrazów fraktali (rys. 7a i 5b) [89, 90]. a) b) Rysunek 7. a), b) Komputerowo wygenerowane obiekty fraktalne [90] 20 W. Kwa ny

12 2.3 Teza, cel i zakres pracy Przeprowadzone badania własne oraz studium literaturowe wskazuj na fakt, e zarówno rodzaj i warunki procesu, rodzaj materiału podło a, jak i skład chemiczny nanoszonych powłok decyduj o strukturze, a co za tym idzie topografii powierzchni powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD, które z kolei decyduj o ich własno ciach mechanicznych, wytrzymało ciowych oraz odporno ci na zu ycie. Potwierdzaj to zwłaszcza prace Thorntona [36], Messnera [37] oraz Mowczana i Demcziszyna [38], przedstawiaj ce modele stref strukturalnych powłok i b d ce najcz ciej cytowanymi pozycjami w bardzo licznych opracowaniach, dotycz cych warstw uzyskiwanych w procesach PVD i CVD. Potwierdzenie, a nast pnie wyja nienie wspomnianych zale no ci ma nie tylko istotne znaczenie poznawcze, ale w krótkim czasie mo e znale ć zastosowanie praktyczne, daj ce mo liwo ć prognozowania własno ci powłok na podstawie oceny kształtu topografii ich powierzchni. Sformułowano wi c nast puj c tez pracy: Analiza kształtu topografii powierzchni powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD umo liwia prognozowanie ich własno ci mechanicznych i eksploatacyjnych. W in ynierii materiałowej du e znaczenie praktyczne odgrywa precyzyjny opis powierzchni powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD, jednak ze wzgl du na brak odpowiedniego narz dzia, daj cego mo liwo ć ilo ciowego scharakteryzowania zło onych kształtów badanych powierzchni, dotychczas nie zwrócono nale ytej uwagi na to zagadnienie. Zdaniem autora geometria fraktalna mo e stanowić warto ciowe uzupełnienie stosowanych dotychczas metod. Przykładowo, zastosowanie wymiaru fraktalnego do charakterystyki topografii powłok ma zasadnicz przewag nad tradycyjnymi wielko ciami, okre laj cymi chropowato ć, poniewa, w przeciwie stwie do nich, nie zale y on od wyboru zakresu pomiarowego, natomiast analiza multifraktalna stanowi rozszerzenie metody fraktalnej, umo liwiaj c w precyzyjny sposób scharakteryzowanie geometrycznych własno ci rzeczywistych powierzchni, dla których wymiar wyznaczony w ró nych obszarach przyjmuje ró ne warto ci. W zwi zku z tym za cel prezentowanej pracy przyj to opracowanie metodyki, daj cej mo liwo ć prognozowania własno ci powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych na podstawie wielko ci fraktalnych, opisuj cych ich powierzchni. 21

13 W ramach zrealizowanej pracy przeprowadzono badania oraz analizy, obejmuj ce: okre lenie wpływu rodzaju procesu i warunków nanoszenia na struktur i kształt topografii powierzchni oraz własno ci mechaniczne i eksploatacyjne uzyskanych powłok, opracowanie metodyki charakterystyki i precyzyjnego opisu topografii powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych z wykorzystaniem geometrii fraktalnej i multifraktalnej na podstawie obrazów uzyskiwanych za pomoc mikroskopu sił atomowych, ustalenie korelacji pomi dzy wielko ciami fraktalnymi charakteryzuj cymi analizowane powierzchnie powłok PVD i CVD a ich własno ciami mechanicznymi i eksploatacyjnymi.